Peter Križan Fizikalni eksperimenti I. Uvodno predavanje Spletna stran: http://www-f9.ijs.si/~krizan/sola/p4/fiz-eks.html
Peter Križan
Peter Križan
Fizikalni eksperimenti I. Uvodno predavanje
Spletna stran: http://www-f9.ijs.si/~krizan/sola/p4/fiz-eks.html
Peter Križan
Fizikalni eksperimenti - Uvod
Obseg
• Študent opravi štiri vaje, ki jih izbere izmed dvanajstih vaj.
• Ob meritvi vodi dnevnik (v zvezku). • O vsaki opravljeni vaji napiše poročilo v obsegu kratkega
eksperimentalnega članka. • Ob koncu leta zagovarja vaje, eno izmed opravljenih vaj
pa predstavi sošolcem.
Peter Križan
Fizikalni eksperimenti - Uvod
Napotki Ob posebnih navodilih za uporabo eksperimentalnih aparatur pri posamezni
vaji velja upoštevati naslednje splošne napotke: Najprej se ob uporabi literature, ki je navedena pri vsaki vaji, seznani s
fizikalnimi osnovami poiskusa. Premisli, kako bi poskus izvedel, ter se o tem pogovori s skrbnikom posamezne vaje ali z vodjo praktikuma.
Da dobiš "občutek" za izvedbo poskusa, najprej opravi približno meritev,
tako da spreminjaš več spremenljivk pri poskusu. Realistična eksperimentalna aparatura ima svoje muhe. Nikar ne pričakuj, da
te bo skrbnik vaje opozoril na vse. Nekatere boš moral tudi sam odkriti in aparaturo ustrezno popraviti.
Rezultat poskusa nima nobenega pomena, če ne vsebuje podatka o napaki.
Upoštevaj statistično napako, kalibracijske napake instrumentov in morebitne izvore sistematičnih napak.
Peter Križan
Fizikalni eksperimenti - Uvod
Napotki
Ko misliš, da si končal z eksperimentalnim delom vaje, se pogovori s skrbnikom vaje o svojem delu, idejah in delovnem dnevniku. Na ta način preveriš, ali nisi morda spregledal kakšnega pomembnega dela poskusa. Posvetuj se tudi, kako opisati vajo (predvsem velja to za poročilo o prvi vaji).
Peter Križan
Fizikalni eksperimenti - Uvod
Delovni dnevnik
Pomeben del eksperimentalnega dela je vodenje zapiskov v obliki delovnega dnevnika. Pri raziskavah pogosto še zelo dolgo (mesece!) ne vemo, ali je zapisek pomeben ali ne: vsak opis naj bo točen in zaključen.
Zapiski morajo biti čitljivi tudi za druge. Vsak zapisek mora biti datiran. Pomaga tudi številčenje strani in kratko kazalo na prvi strani. V poročilo o
vaji bo tako možno sklicevanje na sliko iz delovnega dnevnika. Citiraj literaturo in zapiši kratke povzetke. Jasno označi posamezne stopnje pri meritvi, zapiši zakaj si se česa lotil!
Peter Križan
Fizikalni eksperimenti - Uvod
Delovni dnevnik
Zapiši rezultat vsake meritve, podatke o aparaturi. Ne uporabljaj listkov! če si pozabil zvezek doma, piši na list in ga nato nalepi v dnevnik! Včasih je ugodno sproti narisati grob diagram merskih rezultatov (to je posebno enostavno pri zvezkih z nizkim karom).
Zapiši rezultate meritev, ne da bi jih na pamet poskušal pretvarjati (recimo kot
odklona v volte) ali upoštevati korekcijske faktorje. Sproti ocenjuj napako meritve. Premisli, ali lahko sistematsko napako določiš
na neodvisen način z dodatno meritvijo. Če uporabljaš svinčnik, ne briši, ampak prečrtaj (mogoče si boš kasneje še
enkrat premislil).
Peter Križan
Fizikalni eksperimenti - Uvod
Poročilo o meritvi Ko si končal z meritvijo, pripravi poročilo o meritvi. To naj bo podrobno
poročilo o osnovah meritve in tvojih rezultatih. Vodja praktikuma bo prebral le ta del tvojih zapiskov (seveda pa bo želel preveriti kako podrobnost še v delovnem dnevniku).
Poročilo naj ima obliko eksperimentalne znanstvene publikacije. Priporočam naslednjo strukturo:
• Uvod (motivacija), • Metoda in opis aparature (vključno z podatki o aparaturah, ki si jih
uporabil) • Rezultati meritev, • Izvori in velikost napak, • Zaključek • Seznam literature
Pomembno: ko pišete poročilo, se vprašajte, kaj bi hoteli vedeti o vaji, če je ne bi sami izvajali, ampak bi samo brali poročilo.
Peter Križan
Fizikalni eksperimenti - Uvod
Zagovor
Ko si končal z meritvami in pripravil vsa poročila, jih pošlješ v elektronski obliki vodji predmeta (meni).
Kakšna dva do tri dni kasneje je potem lahko zagovor vaj. Pri zagovoru z vodjo predmeta skupaj pogledata • Poročila • Delovni dnevnik • Pri vsaki vaji obdelata par zanimivih podrobnosti (posebno tiste, ki niso
našle poti v poročilo…). Tipično: kako ustvarimo potreben vakuum, kako si detektiral nevtrone…
Peter Križan
Fizikalni eksperimenti - Uvod
Literatura
Ob vsaki vaji je navedena literatura, ki jo skrbnik vaje predlaga kot čtivo pred začetkom vaje.
Splošna literatura:
•A. Likar, Fizikalna merjenja I in II
•W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer, 1987.
•B.P. Roe, Probability and statistics in experimental physics, Springer 1992.
Pregled vaj lahko najdete na: http://www-f9.ijs.si/~krizan/sola/p4/fiz-eks-pregled.pdf Napotki: http://www-f9.ijs.si/~krizan/sola/p4/fiz-eks-napotki.pdf
Peter Križan
Seznam vaj
•Meritev kompleksne dielektrične konstante, P3 (Z. Kutnjak)
•Optična interferometrija, P3 (T. Mertelj)
•Optična korelacijska spektroskopija, IJS (I. Drevenšek-Olenik)
•Življenjski čas miona, P4 (S. Korpar, R. Pestotnik)
•Določitev masne razlike m(D*)-m(D), IJS (M. Bračko)
•Polprevodniški detektorji, P4 (G. Kramberger)
•Uklonska slika s posamznimi fotoni, P4 (S. Korpar, R. Pestotnik)
Peter Križan
Fizikalni eksperimenti - Uvod
Seznam vaj
•Pozitronska tomografija (PET), P4 (R.Pestotnik, S.Korpar)
•Kontrast pri slikanju z jedrsko magnetno resonanco, IJS (I.Serša)
•Diagnostika plazme z električnimi sondami, Reaktor (M.Čerček,
T.Gyergyek)
•Masna spektrometrija, IJS (B. Zajec)
•Metoda PIXE (protonsko vzbujeni žarki X), Reaktor (M. Kavčič)
•Metoda EXAFS: strukturna analiza, IJS (I. Arčon)
Peter Križan
Fizikalni eksperimenti - Uvod
Seznam vaj
•Presevna elektronska mikroskopija nanocevk, IJS (M. Remškar)
•Atomska zgradba kristalnih površin, IJS (A. Prodan)
•Reaktor: kritični eksperiment in odziv na spremembe reaktivnosti
(L. Snoj)
•Reaktor: Vplivi na reaktivnost reaktorja, Reaktor (L. Snoj)
•Hertzsprung-Russelov diagram, Observatorij Golovec
(B.Dintinjana)
•LIDAR, IJS (M.Zavrtanik)
Peter Križan
Fizikalni eksperimenti - Uvod
Pregled vaj
Peter Križan
Merjenje dielektričnosti
Peter Križan
Merjenje dielektričnosti
Peter Križan
Fotonska korelacijska spektroskopija
• Metoda za določanje velikosti delcev v suspenziji. • Red velikosti nm do µm (področje med elektronsko in optično
mikroskopijo). • Deluje za kroglaste delce, interpretacija rezultatov težja za ostale
oblikah, a nekaj se da povedati. • Ključna ideja: delci se Brownovo gibajo, manjši hitreje in večji
počasneje. Hitrost translacijske difuzije podaja difuzijska konstanta: η – viskoznost topila R – hidrodinamski polmer
Izmerimo D in tako določimo velikost R!
• Sipani valovi interferirajo, fluktuacije signala merimo z avtokorelacijsko funkcija G(τ) = < I(t) I(t+τ) >
NALOGA: Pomeriti velikost delcev v znanem in neznanem vzorcu.
Peter Križan
Postavitev eksperimenta:
• Izkaže se, da je avtokorelacijska funkcija v primeru velikega števila sipalcev:
• Eksperimentalno dobljeni τ nam ob znanem q2 podaja D in s tem velikost delcev!
Peter Križan
Življenjski čas mionov
Razpadni čas miona je povezan s sklopitveni konstanto šibke interakcije G – fundamentalno količino
Razpad miona:
µννµ ee−− →
Peter Križan
Življenjski čas mionov
Detektor: sod (za vino), napolnjen s tekočim scintilatorjem, in fotopomnoževalka.
Meritev časa: • Začetek: mionska sled v
scintilatorju • Konec: elektronska sled
µννµ ee−− →
Peter Križan
Življenjski čas nevtralnih kaonov
• Nastaneta prek močne interakcije
• Se razlikujeta po čudnosti (+1, -1)
• Linearni kombinaciji obeh stanj razpadeta po šibki interakciji
z različnima razpadnima časoma
0K0
K
0SK 0
LK
( ) sSK
10100005.08953.00−⋅±=τ
( ) sLK
810021.0099.50−⋅±=τ
http://www-f9.ijs.si/~praksa/praktikum4.html
Peter Križan 4 οκτοβερ
P4 - Uvod
Življenjski čas nevtralnih kaonov
Življenjski čas nevtralnih kaonov
Kratkoživi K0S razpade na dva piona Poiščemo sledi dveh
pionov, izmerimo njuni gibalni količini, določimo mesto nastanka, in določimo lastni čas.
Iz porazdelitve exp(-t/τ) določimo τ.
Spektrometer ARGUS,
DESY, Hamburg
Peter Križan
Meritev razlike mas za D*+ in D0
D*+ in D0 imata podobno kvarkovsko strukturo: cd in cu D*+ ima spin J=1 D0 ima spin J=0 Razlika mas je povezana s hiperfino sklopitvijo kvarkov v
mezonu
)(
)0(
21
212
21
Jfss
ssmm
m s
=⋅
⋅∝∆
ψα
http://www-f9.ijs.si/~praksa/praktikum4.html
Peter Križan
Meritev razlike mas za D*+ in D0
Trik: masi merimo istočasno, zato se večina eksperimentalnih napak pokrajša.
∆m = M(π+K-π+) – M(K-π+) 21 ss ⋅
Peter Križan
Večanodne fotopomnoževalke
• Hamamatsu, R5900-L16
Peter Križan
. .
Večanodne fotopomnoževalke: Uklonska slika s posameznimi fotoni!
Lastnosti silicijevih detektorjev za nabite delce S čim se bomo ukvarjali? Silicijevi detektorji (pasovni-strip in točkovni-pixel) za nabite delce so nepogrešljiv del praktično vseh eksperimentov v fiziki delcev, vedno bolj pa so prisotni tudi v medicini. Glavne odlike teh detektorjev so: velika hitrost, odlična energijska in prostorska ločljivost, kompaktnost, zrela polprevodniška tehnologija ... V osnovi so ti detektorji diode priključene na zaporno napetost, mehanizem zaznave delcev pa je podoben kot v ionizacijski celici.
Kaj bomo merili - naloga? Določali bomo osnovne lastnosti silicijevih dektorjev in opazovali influencirane tokove – signale - iz detektorjev: • napetost popolnega osiromašenja detektorja tip detektorja in
efektivno koncentracijo prostorskega naboja • zaporne tokove • gibljivost elektronov in vrzeli v detektorju • odvisnost nasičene hitrosti potovanja nosilcev naboja od
temperature
ATLAS SCT modul
6.4 cm
Kako bomo merili? Dva merilna sistema za: merjenje influenciranih tokov v detektorju in merjenje kapacitet in tokov.
Laserski pulz generira pare elektron vrzel na površini detektorja V električnem polju ti potujejo in influencirajo tok v elektrodah. Iz oblike tokov določimo profil električnega polja.
Meritve kapacitete dektorja in zapornih tokov v odvisnosti od zaporne napetosti
Peter Križan
PET: pozitronska tomografija Radioaktivni fluor razpade z beta+ razpadom na kisik, pozitron in nevtrino
γ
17F 17O
e+ Pozitron se anihilira z elektronom v okoliški snovi, nastaneta dva žarka γ, ki odletita v nasprotnih smereh.
e-
ν γ
Pacientu vbrizgamo v kri snov, v katero smo vgradili radioaktivni fluor (recimo fluorodeoksiglukoza). Na mestih, kjer se bo nabralo več krvi s to snovjo, bo nastajalo več parov žarkov γ.
Peter Križan
PET: pozitronska tomografija
električni signal scintilator fotopomnoževalka
fotokatoda dinode
anoda γ žarek
e
Detektor žarkov γ: scintilator s fotopomnoževalko
Pri tej vaji: poenostavljena verzija tomografa:
• namesto pacienta točkast izvor (Na22),
• detektor: štiri večanodne fotopomnoževalke s scintilatorji.
Enota za zajemanje podatkov
PC: rekonstrukcija slike
Peter Križan
Kontrast pri slikanju z magnetno resonanco
Pri slikanju z magneno resonanco se najpogosteje uporablja metoda slikanja s spinskim odmevom, kjer kontrast v sliki zavisi od: • parametrov slikanja:
• časa spinskega odmeva (TE) • hitrosti ponavljanja slikovnega zaporedja (TR)
• lastnosti vzorca: • gostote protonov (ρ) • spin-spinskega relaksacijskega časa (T2) • spin-mrežnega relaksacijskega časa (T1)
Signal ∝ ρ* exp(-TE/T2) * (1- exp(-TR/T1))
Peter Križan
Glede na izbiro parametrov slikanja ločimo tri karakteristične skupine slik:
Gostotno obteženo sliko, kjer kontrast zavisi pretežno od gostote protonov TR - zelo dolg (TR = 3000 ms) TE – kratek (TE = 12 ms)
T2 obteženo sliko, kjer kontrast zavisi pretežno od relaksacijskega časa T2: TR - zelo dolg (TR = 3000 ms) TE - približno T2 (TE = 40 ms)
T1 obteženo sliko, kjer kontrast zavisi pretežno od relaksacijskega časa T1: TR - približno T1 (TR = 400 ms) TE – kratek (TE = 12 ms)
voda
alkohol
olje
glicerin
Kontrast pri slikanju z magnetno resonanco
Peter Križan
Meritve karakteristik plazme
Plazma predstavlja četrto in najbolj pogosto agregatno stanje snovi. Po nekaterih ocenah naj bi bilo 99% vidne snovi sestavljene iz plazme. To velja tako za zvezde, kot tudi obširen skoraj prazen medplanetarni, medzvezdni in medgalaktični prostor.
Ud
Ar
Ug
Up
Spreminjamo zunanje parametre, tlak, B, razelektritveno napetost, in merimo tokovno-napetostno karakteristiko plazme gostota plazme, temperatura elektronov, plaz. potencial.
T(p)
Peter Križan
Masna spektrometrija: Kvantitativna analiza plinskih zmesi
Analiza sestave plinske zmesi z masnim spektrometrom (MS) v visokem vakuumu je temeljna metoda za vpogled v reakcije v plinih in na površinah, s katerimi se srečujemo v atomski fiziki, pri spremljanju jedrske fuzije, pripravi plazme, pripravi okolja za pospeševalnike ipd.
• Določamo molekularno sestavo neznane plinske zmesi • Analiziramo lahko količine že od 10-10 mol • Princip delovanja MS: ionizirane delce (atome ali molekule) vodimo skozi filter in merimo tok Ii, ki ga povzročajo delci z maso mi.
Upoštevati je potrebno: • različne molek. mase različni pretoki Φi
• različen presek za ionizacijo v MS • možne reakcije na stenah in v MS
Peter Križan
Masna spektrometrija: Kvantitativna analiza plinskih zmesi
Spoznali boste: • Osnove o vakuumskih sistemih (črpalke, merilniki, ventili, režimi pretoka, ipd.) • Kvadrupolni masni spektrometer in merilnike za tlak v visokem vakuumu
Naloga: • kalibriraj MS z dvema čistima plinoma (H2, Ar) • spremljaj ionske tokove pri nekaj znanih začetnih razmerjih H2 & Ar in pojasni potek • oceni detekcijsko mejo in napako pri določevanju plinske mešanice H2 & Ar
Peter Križan
Atomska struktura površin s tunelskim mikroskopom in uklonom nizkoenergijskih elektronov
Nizkoenergijski elektroni ne prodrejo skozi vzorec – sipljejo se na površini.
Braggov pogoj v obeh smereh ravnine
Peter Križan
Atomska struktura površin s tunelskim mikroskopom in uklonom nizkoenergijskih elektronov
NbTe2
Tunelski mikroskop
Peter Križan
Transmisijski elektronski mikroskop
Peter Križan
P4 - Uvod
EXAFS
EXAFS
Študij strukture snovi preko absorpcijskih spektrov žarkov X
Peter Križan
EXAFS
Strukturni signal EXAFS (modulacija absorpcijskega spektra nad robom K) je posledica sipanja fotoelektrona na sosednjih atomih.
Peter Križan
PIXE
Proton induced X-ray emission
Zelo natančna mikroanalitska metoda za proučevanje elementarne sestave površin.
Peter Križan
PIXE
Vir protonov: Van de Graffov pospeševalnik
Peter Križan
Reaktor: Kritični eksperiment in odziv na spremembe reaktivnosti Pri tej vaji raziščemo parametre reaktorja
Struktura reaktorja: 4 kontrolne palice - pulzna - kompenzacijska - varnostna - regulacijska Gorivne palice - U-235
Peter Križan
P4 - Uvod
Hertzsprung-Russellov diagram
Peter Križan
P4 - Uvod
H-R diagram
Peter Križan
LIDAR: light detection and ranging
Optična tehnika za zaznavanje na daljavo: •Svetlobni snop interagira z medijem
•Povratno sipana svetloba nosi krajevno odvisno informacijo o stanju v mediju
Uporaba: •Raziskave atmosfere
•3-D mapiranje terena
•Gozdarstvo
•Raziskave biomase
LIDAR
Peter Križan
P4 - Uvod
LIDAR shematski prikaz
LASER TELESKOPZ DETEKTORJEM
LASE
RSK
I SU
NEK
SV
ETLO
BE
POVRATNO SIPANA SVETLOBA
ZAJEM PODATKOV
KOMPONENTE:
•Oddajnik
•Sprejemnik
•Detektor & DAQ
http://www-f9.ijs.si/~zavrtani/lidar/
Peter Križan
Optična interferometrija